7.3. Аналоговые адаптивные фильтры с выборкой данных

В данном разделе исследуется конструирование адаптивных фильтров, в которых используются аналоговые структуры с выборкой данных. Эти системы зависят, в основном, от применения приборов с зарядовой связью (ПЗС), приборов типа пожарной цепочки (ППЦ) и схем выборки и хранения. Исходные материалы , необходимые для понимания работы линий задержки на основе ПЗС и ППЦ в данной книге не приводятся, поскольку имеется несколько монографий, в которых они всесторонне рассмотрены [28]. Устройства типа ПЗС и ППЦ будут упоминаться только с точки зрения их работы в качестве аналоговых линий задержки, и, имеющие место в этих приборах эффекты накопления ошибок будут обсуждаться не с точки зрения механизмов накопления, а лишь с точки зрения их окончательного влияния на сигналы. Мы выбрали такой подход, поскольку не собирались в данном  обзоре подробно рассматривать полупроводниковую технологию.

7.3.1. Реализация на основе приборов с зарядовой связью

ПЗС – прибор, который свыше десяти лет исследуется в целях применения в устройствах обработки сигнала, включающих задержку или свертку. Такие структуры успешно использовались в линиях задержки видеосистем [332], программируемых трансверсальных  фильтрах [75, 255, 327], процессорах, выполняющих преобразование Фурье [20, 174], и особенно при конструировании устройств отображения информации [224].

Аспект применения ПЗС, наиболее интересный для нас в данной монографии, - это использование ПЗС для конструирования программируемых трансверсальных фильтров (ПТФ). В данном разделе дан обзор некоторых способов реализации ПТФ с применением ПЗС и рассмотрены способы, с помощью которых эти фильтры можно сделать адаптивными. Многие из обсуждаемых здесь способов используются также в случае ППЦ и других технологий на основе выборки и хранения. Рассматривается характерное применение ПЗС - технологии для создания однокристальных адаптивных фильтров и представлена одна конкретная конструкция процессора подобного типа [77].

На рис. 7.13 изображен прямой параллельный вариант реализации трансверсального фильтра. В разд. 7.2 было показано, что из-за сложности цифровых умножителей такую структуру невозможно непосредственно реализовать цифровыми методами. Однако, в случае аналоговых процессоров довольно просто можно реализовать операцию аналогового умножения, что, следовательно, допускает параллельную реализацию трансверсального фильтра. Альтернативно умножители могут выполняться в гибридной форме с помощью использования умножающих цифро-аналоговых преобразователей (УЦАП). В данном примере выполняется умножение аналогового сигнала и накопленного в цифровой форме весового коэффициента с помощью  УЦАП или с помощью мультиплексирования одного УЦАП между дискретами фильтра, если целью является экономия площади кремниевого кристалла за счет снижения быстродействия. Оба этих подхода (подход на основе мультиплексного УЦАП показан на рис. 7.14) к конструированию ПТФ были успешно применены авторами работ [75, 327].

Рис. 7.13. Блок-схема трансверсального фильтра с параллельной обработкой сигналов.

В этом разделе мы рассматриваем конструирование адаптивных фильтров с точки зрения чисто аналоговых реализаций ПТФ. На рис. 7.15 показана одна из практических реализаций аналогового ПТФ на основе ПЗС. В данном подходе ПЗС используется для временной задержки поступающего сигнала с помощью отводов сброса с плавающим затвором [73], которые, не уничтожая сигнала, передают его по линии задержки. Выходные сигналы этих отводов сброса с плавающими затворами приложены к одной из множества пар входных полюсов решетки аналоговых умножителей, которую можно выполнить на основе      одних только МОП – транзисторов (транзисторов типа металл – окисел – полупроводник) [208]. Затем на входные полюсы другого умножителя поступают весовые коэффициенты  фильтра, хранящиеся в кристалле в наборе коммутируемых емкостных ЗУ. На основе такой архитектуры были разработаны ПЗС – программируемые трансверсальные фильтры в виде одного прибора с числом дискрет,  достигающим 256 [74]. На рис. 7.16 показана фотография кристалла фильтра на 256 дискрет на основе этой конструкции. Этот фильтр имеет отношение сигнал – шум, равное 50дБ (измеренное из импульсной характеристики), с пропускной способностью канала в реальном масштабе времени 150 кГц.

Рис. 7.14. Блок-схема трансверсального фильтра, использующего аналоговую линию задержки с отводами, и один мультиплексный умножающий цифроаналоговый преобразователь (УЦАП).

Рис. 7.15. Непосредственная параллельная реализация программируемого трансверсального фильтра на основе ПЗС.

Рис. 7.16. Микрофотография кристалла программируемого трансверсального фильтра на 256 выборок на основе ПЗС. (Предоставлено Институтом микроэлектроники им. Волфсона, Эдинбургский университет.)

Показав достижимость реализации ПТФ, рассмотрим теперь ряд возможных методов задания геометрии фильтра для обеспечения работы в адаптивном режиме:

1. Полностью параллельная адаптация. В данной конфигурации схема,     предназначенная для выполнения адаптивного алгоритма, соединена с каждой из  отводов весовых умножителей. При этом подходе необходимо полностью переработать конструкцию фильтра, что будет рассмотрено в разд. 7.3.2. 

2. Адаптация типа вспышки. При такой конфигурации адаптивный алгоритм выполняется  в виде отдельной схемы вне ПТФ и последовательно корректируются весовые коэффициенты отдельных отводов. Этот метод адаптации называется вспышкой, поскольку в течение одного периода входной выборки рассчитываются корректировки весовых коэффициентов всех отводов. Следовательно, сохраняется скорость сходимости параллельного процессора, но за счет уменьшения полной ширины полосы пропускания фильтра.

3. Адаптация последовательного типа. В данном случае адаптивный процесс также выполняется с помощью отдельной схемы вычисления алгоритма, но в каждом периоде выборки фильтра корректируется весовой коэффициент только одного отвода [63, 65]. Следовательно, ширина полосы пропускания фильтра сохраняется, но скорость сходимости фильтра сильно снижается из-за уменьшения частоты корректировок коэффициентов фильтра [65].

Два последние из обсужденных выше методов дают потенциально эффективный подход к реализации адаптивного фильтра, поскольку в них используются существующие конструкции ПТФ на основе ПЗС. На рис. 7.17 показана блок-схема системы на основе ПЗС, в которой используется процесс адаптации последовательного типа. Это гибридный процессор, сопрягающий аналоговый ПТФ на основе ПЗС с цифровой корректирующей схемой, в ЗУ которой хранятся весовые коэффициенты фильтра. Выбранным алгоритмом адаптации был ограниченный алгоритм МНК, поскольку он давал существенно более простую цифровую аппаратную реализацию. На рис. 7.18 показана фотография системы, разработанной с использованием такой архитектуры [65]. В данной специфической системе, в качестве центрального процессора,  использован  показанный на рис. 7.16 и ранее описанный в этом разделе   ПТФ на 256 выборок. Система имела общую мощность потребления 7 Вт при максимальной частоте выборки 300 кГц. В других реализациях аналоговых адаптивных фильтров были использованы ПЗС [297] и коммерчески доступные ППЦ - компоненты [62].

На рис. 7.19 и 7.20 показаны некоторые типичные экспериментальные результаты для этой системы. На рис. 7.19 изображена зависимость времени сходимости от коэффициента сходимости системы. В данном случае входные сигналы были чисто синусоидальными. Для ряда выбранных точек графика показаны типичные осциллограммы сигнала ошибки в процессе сходимости. Представленные здесь результаты хорошо совпадают с теоретическими прогнозами сходимости данного алгоритма с учетом того факта, что скорость корректировки была уменьшена в 256 раз (что соответствует длине фильтра).

Ряд дополнительных результатов, приведенных на рис. 7.20, определяет характеристику подавления фильтра при том же наборе коэффициентов сходимости. Входной сигнал  содержал два синусоидальных сигнала равной амплитуды; спектр этого входного сигнала также показан на рис. 7.20. На вход поступал лишь более высокочастотный синусоидальный сигнал, и  характеристика подавления (адаптивности) измерялась как величина (в децибелах) затухания высокочастотного  тона на выходе  относительно уровня низкочастотного входного сигнала. Приведенная на рис. 7.20 зависимость показывает ожидаемое в данном случае ухудшение времени сходимости. Для ряда выбранных точек графика вновь приведены типичные результаты, изображающие спектр выходного сигнала . Наилучшее подавление (около 50дБ) имеет место при наименьшем коэффициенте сходимости, который дает также наибольшее время сходимости.

На рис. 7.21 представлены в окончательной форме результаты для случая применения адаптивного фильтра на основе ПЗС в качестве корректирующего фильтра. В данном случае по модели, имитирующей телефонный кабель длиной 5 км, передавалась псевдошумовая последовательность сигналов (ПШ) в основной полосе частот.  Полученный искаженный сигнал показан на рис. 7.21, а, а соответствующая глазковая диаграмма – на рис. 7.21, г. Выполняя коррекцию с помощью ПЗС – фильтра, можно сформировать сигнал (рис. 7.21, в) с соответствующей глазковой диаграммой, (рис. 7.21, д). Из этих результатов видно, что достигнуто хорошее качество коррекции. Однако для коррекции искажений такого типа в действительности не было необходимости применять фильтр столь высокого порядка (256).

Рис. 7.17. Блок-схема адаптивного фильтра на основе ПЗС, с последовательной корректировкой.

Рис. 7.18. Фотография аппаратной реализации системы на основе архитектуры с последовательной корректировкой.

Рис. 7.19. Экспериментально полученная зависимость времени сходимости адаптивного фильтра с последовательной корректировкой от коэффициента сходимости.  Масштаб по горизонтали – 2с/деление; масштаб по вертикали линейный. (Из работы [65].)

Рис. 7.20 Экспериментально полученная зависимость характеристики подавления от коэффициента сходимости. Масштаб по горизонтали – 1 кГц/деление; масштаб по вертикали – 10дб/деление. (Из работы [65].)

Рис. 7.21. Экспериментально полученные результаты для адаптивного фильтра на основе ПЗС, используемого в качестве корректирующего фильтра: а – входная сигнальная последовательность; б – измененный сигнал после прохождения модели телефонной линии длиной 5 км; в – выходной сигнал корректирующего фильтра; г – глазковая диаграмма выходного сигнала линии; д – глазковая диаграмма корректированного сигнала. Масштаб по вертикали линейный. Масштаб по горизонтали на рис. а - в – 1 мс/деление; на рис. г, д – 0,125 мс/деление.

Рис. 7.21. (Продолжение).

Рис. 7.22. Блок-схема параллельной реализации адаптивного фильтра на основе ПЗС.